Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Transformator mit einer zusätzlichen integrierten Drossel und auf ein Schaltnetzteil mit einem solchen Transformator.
Schaltnetzteile in Resonanzbauweise benötigen für den Resonanzkreis wenigstens ein induktives Bauelement und ein kapazitives Bauelement. Das induktive Bauelement ist meist eine Spule (Drossel), welche in Verbindung mit einem Kondensator an der Primär- oder Sekundärwicklung eines Transformators angeschlossen ist. Ein solches Schaltnetzteil in Resonanzbauweise ist aus US 4,692,851 bekannt. Hier liegt die Primärwindung in Reihe mit einer Drossel, während auf der Sekundärseite die Hauptsekundärwindung eine parallele Kapazität aufweist. Auf diese Art und Weise sorgen in der Anordnung die Induktivität der Drossel zusammen mit der Kapazität des Kondensators für die benötigten Resonanzschwingungen.
Aus der US-Patentschrift 5,889,373 ist ein schwach gekoppelter Transformator bekannt, der aus drei in Reihe liegenden Kernen besteht, wobei ein äußerer Kern die Primärwicklung trägt und der andere äußere Kern zwei Sekundärwicklungen trägt. Durch jeweilige Luftspalte zwischen den äußeren Kernen und dem mittleren Kern wird die schwache Kopplung derart justiert, das der primärseitig erzeugte magnetische Fluss hauptsächlich über den wicklungslosen, mittleren Kern fließt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Transformator mit einer integrierten Streuinduktivität zu versehen, so dass auf ein separates induktives Bauelement verzichtet werden kann und eine Vereinfachung im Aufbau von resonanten Schaltnetzteilen möglich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Transformator gemäß Anspruch 1.
Durch die bauliche Trennung der einzelnen Kerne ist es möglich, diese jeweils auf den Hauptfluss oder den Streufluss hin zu optimieren. Trotzdem können Standardkomponenten benutzt werden, da jeder Kern nur einen Querschnitt aufweist. Dies reduziert die Herstellungskosten deutlich. Da der Hauptfluss von der sogenannten Hauptpermeanz und der Streufluss von der sogenannten Streupermeanz abhängig ist, sind diese Permeanzen entsprechend zu wählen. Die Permanenzen hängen wiederum von dem jeweiligen Luftspalt zwischen den einzelnen Kernen ab, welcher eine bestimmte Querschnittsfläche und eine bestimmte Länge aufweist. Die Kerne können allerdings auch aufeinandergeklebt sein, wenn nur eine geringe Permeanz erforderlich ist.
Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 2 und 3 bieten den Vorteil, dass die drei Kerne jeweils optimal dem Fluss angepasst werden können, den sie führen. So sind sowohl die Größen Hauptfluss als auch Streufluss separat festzulegen. Außerdem sind über die Luftspalte zwischen den einzelnen Kernen die Streupermeanz und die Hauptpermeanz festzulegen.
Die Ausgestaltung gemäß Anspruch 4 bietet den großen Vorteil, dass eine zusätzliche Spule (Drossel) in Reihe zu entweder der Primärwindung oder der Sekundärwindung nicht erforderlich ist. Da Resonanzschaltnetzteile eine solche Spule benötigen, ist deren Aufbau somit vereinfacht, da ein Bauteil eingespart werden kann.
Die Ausgestaltungen nach den Ansprüchen 5 bis 8 stellen besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der einzelnen Kerne dar.
Die Ausgestaltung nach Anspruch 9 erlaubt einen besonders kostengünstigen Aufbau eines erfindungsgemäßen Transformators. Die Hersteller von Magnetkernen für Transformatoren bieten alle standardisierte Querschnitte an. Magnetkerne mit anderen Querschnitten sind erheblich teurer, was in der Massenfertigung ein nicht zu unterschätzender Faktor ist. Deshalb ist es sinnvoll, auch für die drei unterschiedlich dimensionierten Magnetkerne Standardkomponenten zu verwenden.
Mit der Ausgestaltung nach Anspruch 10 wird der Vorteil der variablen Streuinduktivität eines Transformators in einem Schaltnetzteil genutzt. Vorzugsweise ist dies ein resonantes Schaltnetzteil.
Die vorliegende Erfindung wird im folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels und mehrerer Figuren näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Ein Transformator mit integrierter Drossel besteht aus einem ersten Eisenkern 1, dem Kern für die Primärwicklung 5, einem zweiten Eisenkern 2, dem Kern für die Sekundärwicklung 4, und einem dritten Eisenkern, dem Streuflusskern 3. Alle drei Eisenkerne 1,2,3 sind separate Bauteile und sind daher durch Luftspalte 6, 7 voneinander baulich getrennt. Somit sind die Querschnitte der einzelnen Kerne völlig unabhängig voneinander dimensionierbar. Der erste Kern 1 trägt dabei die Primärwicklung 5, während der zweite Kern 2 die Sekundärwicklung 4 trägt. Die Anordnung ist so aufgebaut, dass der erste U-förmig gestaltete Kern 1 mit seiner offenen Seite nur durch einen Luftspalt 6 vom zweiten I-förmigen Kern 2 getrennt ist. Dieser I-förmige Kern 2 grenzt wiederum von einem Luftspalt 7 getrennt an den dritten auch U-förmigen Kern 3, welcher dem zweiten Kern 2 mit der offenen Seite zugewandt ist und den Streuflusskern darstellt. Die Kerne liegen somit in einer Reihe, wie es auch in Figur 2 zu sehen ist. Da sich die Kerne 1, 2, 3 nicht berühren, sind sie in einer hier nicht gezeigten Form auf einem gemeinsamen Bauteil montiert. Dieses Bauteil kann z. B. eine Platine sein, wie sie in Schaltnetzteilen üblich ist. Außerdem kann zumindest der Luftspalt 6 zwischen dem ersten Kern 1 und dem zweiten Kern 2 entfallen und stattdessen ein anderes Medium vorhanden sein. Insbesondere kann der erste Kern 1 auch am zweiten Kern 2 angeklebt oder anderweitig befestigt sein.
An der Primärwicklung 5 mit N1 Windungen liegt eine magnetische Spannung F1 = N1 * I1 an, während an der Sekundärwicklung 4 mit N2 Windungen entsprechend eine magnetische Spannung F2 = N2 * I2 anliegt. Die sogenannte Hauptpermeanz Ph, welche die Hauptinduktivität bestimmt, wird hier durch die Luftspalte 6 realisiert. Diese Luftspalte 6 haben jeweils einen Querschnitt Ah, identisch mit dem Querschnitt A1 des ersten Kerns 1, und eine Länge lh, welche der Distanz zwischen dem ersten Kern 1 und dem zweiten Kern 2 entspricht. Der mittlere I-förmige Kern 2 hat dementsprechend den Querschnitt A2. Die sogenannte Streupermeanz Ps, welche die Streuinduktivität bestimmt, wird durch die Luftspalte 7 realisiert. Diese Luftspalte 7 haben jeweils einen Querschnitt As, identisch mit dem Querschnitt A3 des dritten Kerns 3, und eine Länge ls, welche der Distanz zwischen dem dritten Kern 3 und dem zweiten Kern 2 entspricht. Da die Luftspalte 6 und 7 jeweils zweifach vorhanden sind ergeben sich die Permeanzen zu Pb = µ0 * Ah /2 lh für die Hauptpermeanz Ph und zu Ps = µ0 * As/2 ls für die Streupermeanz Ps. Über die beiden Permeanzen und die magnetischen resultierenden Flüsse Φh und Φs lässt sich entsprechend dem magnetischen Ersatzschaltbild in Figur 1 der Zusammenhang mit den Strömen I1 und I2 herstellen, denn es gilt Φh = (F1 - F2) * Ph und Φs = F2 * Ps. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Längen lh und ls und die Querschnitte A2, Ah (= A1) und As (= A3) unabhängig voneinander ausgewählt werden. Dies ergibt dem Konstrukteur mehr gestalterische Freiheiten und erlaubt eine optimale Anpassung der Querschnitte A1, A2 und A3 der Kerne 1, 2, 3 an den jeweils zu leitenden resultierenden magnetischen Fluss.
Auch die Permeanzen und damit die Induktivitäten sind über die Längen Ih und Is frei wählbar. Trotzdem können auch hier Standardquerschnitte verwendet werden, um Kosten zu reduzieren, wenn jeder Kern seinen eigenen standardisierten Querschnitt aufweist. Die Ausformung der Kerne 1 und 3 in U-Form und des Kerns 2 in I-Form ist natürlich nicht die einzige denkbare Lösung Insbesondere können die Schenkel der beiden U-förmigen Kerne 1 und 3 kürzer oder länger ausgeführt werden. Es ist auch möglich, den Kern 1 oder den Kern 3 gegenüber dem Kern 2 um einen Winkel z.B. 90° versetzt anzuordnen. Damit wird die Länge der Anordnung verkürzt, wobei dann eine größere Breite notwendig ist. Insgesamt ist damit der Transformator aber kompakter.